1、基础知识
等级划分：
8 h7 D* B/ P8 c# J2 r


接口类型：



STM32基础型(F1系列)所带的USB是全速。

2、电气属性
USB的通信都是由主机发起的，这一点与IIC协议是类似的。

2.1 数据线
USB使用差分传输模式，有两条数据线，分别是：
5 V8 k& o! `5 k* ]+ P' v
USB数据正信号线，USB Data Positive，即USB-DP线，简写为D+
USB数据负信号线，USB Data Minus， 即USB-DM线，简写为D-

剩下的就是电源线(5V-Vbus)和地线(GND)。
- O" c3 y% ~1 J
5 E8 T6 i6 C7 x- @, O+ A2.2 USB主机是如何识别设备是高速设备/全速设备/低速设备？
主机的D+和D-都接有15K下拉电阻。
- S* @7 ]# s! \7 l# E) C
5 Y9 K, c1 A7 S( B0 d4 `全速USB设备的数据线D+接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D+被拉高
! \/ F& L! a) V7 ^0 x低速USB设备的数据线D-接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D-会被拉高
- D; M! j* J3 q  {& @% Y! v
6 Q) I  Y3 _; q% @& C
因此，主机就可以根据检测到自己的D+为高还是D-为高，从而判断接入的设备是一个全速还是低速设备。

/ G, d9 t+ N: t& ^; @- J  `  B所以你可以看到STM32板子上的USB口D+有一个上拉电阻，而且是必须有的：
2 }9 `7 @; N1 N2 z$ `* `
& |7 [1 c! X* L

) l' m( R1 U8 d3、USB设备分类
/ s8 j% W- a1 ^% t6 H8 ]8 F
' b6 Z5 s. P4 z4 n' E$ x- Y
* m& l3 p% p9 O% x
4 m0 f) Z7 x6 p5 r( F* u) |6 g# p看一个CDC虚拟串口的设备分类：
0 k6 q' e) }/ B! i$ K4 M
0 {0 ~- I- d$ R0 ?

在看一个MSC的（模拟U盘）：
' c/ g9 n8 l& x5 Z" l; N


; b; x9 c. ^/ ~2 g0 U不同的类有不同的用途；不同的应用场合对应不同的产品形态；不同的产品形态可能会有自己特殊的描述符，比如： HID类有报告描述符、CDC类有ACM、Union描述符等。

0 ~+ o! B# J  S, Y4、描述符详解
以STM32里的MSC设备为例，MSC类所需要的描述符有：设备描述符+配置描述符+接口描述符(数量由配置描述符里的bNumInterfaces字段决定)+端点描述符(数量由配置描述符里的bNumEndpoints决定)，所以MSC类结构就是这样的：

1. 配置描述符
   
2. {
   
3.         接口描述符1
   
4.         {
   
5.                 端点描述符1
   
6.                 {
   7 W6 H3 v4 [- |
7.                         
   ! L. m3 W2 P/ W9 F
8.                 }
   
9.                 端点描述符2
   / F& h+ P0 N$ [" q5 L% k/ W# [, v
10.                 {
    9 D1 [: h8 y* |& J/ `* T
11.                         
    ( q4 Q9 Y8 [  D6 \/ Q, A* b
12.                 }
    
13.         }
    
14. }

复制代码

0 Z9 E+ K6 f# p# Z而CDC类是这样的：
; H2 ~. i: C- K* m# l* z
8 @8 ]2 y) {4 G: D% ?9 h0 z+ t3 Q' Z

1. 配置描述符
   ; \+ N8 a, a% e4 e2 h% c- y
2. {
   
3.         接口描述符1（通信接口）
   
4.         {
   ; G- h7 G0 \& @
5.                 其他描述符（特殊描述符）
   5 a$ |+ j8 ^+ n2 M
6.                 {
   $ W- B4 q3 x2 _3 a
7.                         /*Header Functional Descriptor*/
   
8.                         /*Call Management Functional Descriptor*/
   7 F) p0 [; V  A6 \9 }1 R
9.                         /*ACM Functional Descriptor*/
   
10.                         /*Union Functional Descriptor*/
    
11.                 }
    ! ^3 s7 f# G- [+ ~( V( V
12.                 端点描述符(命令端点)
    ) |# r3 g4 q3 Q% M' Z7 X3 E# e
13.                 {
    + H( P. \: G2 Q
14.                         
    
15.                 }
    
16.         }
    - N# h$ s1 K, j2 H) A2 {
17.         接口描述符2（数据接口）
      w" ]1 d$ n: ~- f$ u" O& |" X
18.         {
    
19.                 端点描述符1（输出端口）
    
20.                 {
    
21.                         
    ' A! D1 S. [, ~' ?* u; g
22.                 }
    " U7 K6 Y' C2 h; w
23.                 端点描述符2（输入端口）
    0 m0 e9 r" q) e/ W' o/ j5 Z
24.                 {
    
25.                         
    $ a3 @( d; {  x5 q; e
26.                 }
    2 n, C/ o3 l8 a' [% _
27.         }
    , F. a; s) H- O7 _# X  ?9 x  a8 t
28. }
    ' ]( z! N% {9 X9 N' p+ u- r

复制代码

4.1 设备描述符
4 o# e! G/ Y: K  ]* g: L每个USB设备都必须且只有一个设备描述符，摘取一下STM32的MSC设备里的实例代码：
" U- J! H( |# Z
; B4 `) j- F5 ]# g
7 b8 e# A( a& W0 G9 W3 T, r
每个字段的含义：
  Q. B$ ~- p3 ~  y( M/ o0 X3 d3 J7 ibLength：描述符大小．固定为0x12；
bDescriptorType：设备描述符类型．固定为0x01；
bcdUSB：USB 规范发布号．表示了本设备能适用于那种协议，如2.0=0200，1.1=0110；
3 T& P+ c3 t) R% K% t( E; p7 {bDeviceClass：类型代码（由USB指定）。当它的值是0时，表示所有接口在配置描述符里，并且所有接口是独立的。当它的值是1到FEH时，表示不同的接口关联的。当它的值是FFH时，它是厂商自己定义的；
bDeviceSubClass：子类型代码（由USB分配），如果 bDeviceClass值是0，一定要设置为0。其它情况就跟据USB-IF组织定义的编码；
bDeviceProtocol：协议代码（由USB分配），如果使用USB-IF组织定义的协议，就需要设置这里的值，否则直接设置为0。如果厂商自己定义的可以设置为FFH；
5 Y  J( [& J; V1 Y% a' ObMaxPacketSize0：端点０最大分组大小（只有8,16,32,64有效）；
idVendor：供应商ID（由USB分配）；
$ q3 |9 U* \  OidProduct ： 产品ID（由厂商分配)，由供应商ID和产品ID，就可以让操作系统加载不同的驱动程序
& I4 {2 I/ f0 J; e% WbcdDevice ：设备出产编码．由厂家自行设置；
iManufacturer ：厂商描述符字符串索引．索引到对应的字符串描述符． 为０则表示没有；
iProduct ：产品描述符字符串索引．同上；
# T5 ~! a! C4 `6 _! siSerialNumber：设备序列号字符串索引．同上；
$ v5 f- p5 v7 k( @8 @  k. \. zbNumConfigurations ：可能的配置数．指配置字符串的个数。
3 k% u+ R# d# Y) S# t
4 ^7 V( ~- v" L3 I: J$ U4.2 配置描述符
配置描述符定义了设备的配置信息，一个设备可以有多个配置描述符。摘一个STM32的MSC设备的配置描述符：
4 g6 c$ D7 K2 u4 Y7 L% c
( F6 v' b! Q$ [' z4 y- k& B" m
& b' l" H! q) _- c3 c3 e+ F* W- v
1 [  F' {) O9 M用C语言组合就是这样的一个结构：

: r% ]7 `  ~* C8 W/ a

1. typedef struct _USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_
   0 x0 a4 P& [4 x. R* N& v" x
2. {
   9 R! }% ?! s8 ?
3.     BYTE      bLength,
   6 e  O: X& T  o
4.     BYTE      bDescriptorType,
   
5.     uint16_t  wTotalLength,
   & U8 G5 j. Y3 q' Y7 F
6.     BYTE      bNumInterfaces,
   
7.     BYTE      bConfigurationValue,
   
8.     BYTE      iConfiguration,
   + }/ w2 x/ t" q3 s
9.     BYTE      bmAttributes,
   
10.     BYTE      MaxPower
    9 w* g, k; V) M( l
11. }USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR;
    

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0 E4 \; _+ I5 {- @2 t: x: b每个字段含义如下：
bLength：描述符大小，固定为0x09．
0 B! a7 o5 u7 \9 ]! }3 G5 SbDescriptorType：配置描述符类型，固定为0x02．
wTotalLength：返回整个数据的长度，指此配置返回的配置描述符，接口描述符以及端点描述符的全部大小
bNumInterfaces：配置所支持的接口数。指该配置配备的接口数量也表示该配置下接口描述符数量
bConfigurationValue：作为Set Configuration的一个参数选择配置值
iConfiguration：用于描述该配置字符串描述符的索引
, d6 H3 r( G! O: ?7 M- E3 {bmAttributes：供电模式选择，Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒
MaxPower：总线供电的USB设备的最大消耗电流．以2mA为单位
3 A2 M$ X. `- H( S
4.3 接口描述符
1 V( Y" l3 l- y$ E接口描述符说明了接口所提供的配置，一个配置所拥有的接口数量通过配置描述符的bNumInterfaces决定，摘取STM32的MSC设备类的接口描述符：

' U$ P) |) ?1 b. A

( n& H8 B% I% W; d: G- u0 d# {2 Y4 s用C语言组合就是这样的一个结构：

1 k/ y0 N$ K: j- D/ D% k

1. typedef struct _USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_
   6 w; D' y5 s6 A* P# Y" L' I
2. {
   
3.     BYTE      bLength,
   
4.     BYTE      bDescriptorType,
   
5.     BYTE      bInterfaceNumber,
   
6.     BYTE      bAlternateSetting,
   
7.     BYTE      bNumEndpoint,
   
8.     BYTE      bInterfaceClass,
   2 \# _( ?( T, f  q
9.     BYTE      bInterfaceSubClass,
   
10.     BYTE      bInterfaceProtocol,
    
11.     BYTE      iInterface
    ) i8 b7 d" C9 B
12. }USB_INTERFACE_DESCRIPTOR;
    

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& v% m! Y( y! j! l; {6 ~9 G& b每个字段含义如下：

bLength : 描述符大小．固定为0x09．
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x04．
bInterfaceNumber: 该接口的编号．
  [3 I0 _  M$ O  G; Z0 Z, EbAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的位置．即备用的接口描述符标号．
) s6 P" T, w8 k1 I0 I% x, qbNumEndpoint : 使用的端点数目．端点０除外．
% n1 o% L/ c* @, h& Z" ObInterfaceClass : 类型代码（由USB分配）．
bInterfaceSubClass : 子类型代码（由USB分配）．
bInterfaceProtocol : 协议代码（由USB分配）．
iInterface : 字符串描述符的索引
" i+ f0 F8 V, [4 Q6 U2 ]
& y, g1 L. @1 b+ A- ^4.4 端点描述符
USB设备中的每个端点都有自己的端点描述符，由接口描述符中的bNumEndpoint决定其数量。摘取STM32的MSC设备类的端口描述符：



用C语言组合就是这样的一个结构：

1. typedef struct _USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_
   / f3 K5 a1 @/ e6 ]: [2 B
2. {
   
3.     BYTE        bLength,
   
4.     BYTE        bDescriptorType,
   # Q9 W0 I% b; u: [8 X
5.     BYTE        bEndpointAddress,
   
6.     BYTE        bmAttributes,
   
7.     uint16_t    wMaxPacketSize,
   6 X1 U1 q. A( v7 e7 ]) w
8.     BYTE        bInterval
   5 {4 d/ Z0 x7 R- Q2 n: C
9. }USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR;
   : M1 _, e+ ^! c. d" {  }/ l

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  p6 ~9 Y; B* V; P每个字段含义如下：
  e+ D. X5 W5 ~) V! q/ q
4 @+ S; Q6 [$ |1 T7 \4 M# t3 gbLength : 描述符大小．固定为0x07
0 d. K$ m6 q9 v4 v! ^& J1 I2 pbDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x05
bEndpointType : USB设备的端点地址．Bit7决定方向，1为IN端点，0为OUT端点，对于控制端点可以忽略；Bit6-4，保留；BIt3-0：端点号
  H) i" V# ^6 f# J3 b, T. t  t( GbmAttributes : 端点属性．Bit7-2，保留．BIt1-0：00控制，01同步，02批量，03中断
wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小
/ y& z# h% T3 h; b6 B* xbInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔．对于批量传送和控制传送的端点忽略．对于同步传送的端点，必须为１，对于中断传送的端点，范围为1-255
8 X% ~$ k: }: \4 B4 I$ Q5 M
1 q! q6 }! e& u
4.5 字符串描述符
5 E0 J. T, [# i字符串描述符是可选的，如果不支持字符串描述符，其设备描述符、配置描述符、接口描述符内的所有字符串描述符索引都必须为0。

字符串描述符结构如下：

" Q2 P+ C5 S6 \) t: a+ q

1. typedef struct _USB_STRING_DESCRIPTION_
   3 l6 X9 x$ t, X; u" r/ N
2. {
   
3.     BYTE      bLength,
   ( q) Q& ?6 y: @9 m3 ~8 I* U: Q
4.     BYTE      bDescriptionType,
   
5.     BYTE      bString[1];
   6 y8 w1 w! C3 X& m+ v9 @% ]
6. }USB_STRING_DESCRIPTION;

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各个字段含义：
; F$ c) i2 i6 e+ U- T
/ P: R5 f8 K' b5 S4 \bLength : 描述符大小．由整个字符串的长度加上bLength和bDescriptorType的长度决定．
bDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x03．
bString[1] : Unicode编码字符串

3 Z3 e1 w1 O% O) i4.6 IAD描述符
USB组合设备一般用Interface Association Descriptor（IAD）实现，就是在要合并的接口前加上IAD描述符。例如你想用一个硬件USB接口实现两个功能，又能到U盘又能当虚拟串口，那么在USB配置描述符中就需要加上IAD描述符来指明。
) A5 o! ~& l! s# C9 p
+ K5 p% v& l# k' J+ Q

1. typedef struct _USBInterfaceAssociationDescriptor
   : w) L4 r! l% Q: K0 W$ ~
2. {
   " t3 p3 y& Q* z8 V% }3 r7 b# Z0 p& c
3.     BYTE  bLength:                  0x08        //描述符大小，固定
   
4.     BYTE  bDescriptorType:          0x0B        //IAD描述符类型，固定
   , I# c9 ]: j$ u5 z6 ?
5.     BYTE  bFirstInterface:          0x00        //起始接口编号
   
6.     BYTE  bInterfaceCount:          0x02        //本个IAD下设备类的接口数量
   
7.     BYTE  bFunctionClass:           0x0E        //类型代码，本个IAD指示的是什么类型的设备，例如CDC是0X02，MSC是0X08
   
8.     BYTE  bFunctionSubClass:        0x03        //子类型代码
   
9.     BYTE  bFunctionProtocol:        0x00        //协议代码
   
10.     BYTE  iFunction:                0x04        //描述字符串索引
    
11. }

复制代码

以MSC+CDC为例，他的配置描述符结构就是这样的：
& w# e. _' e# o: ?; A
1 @9 d8 u& R( ?" c( B( ?. E/ f8 }

1. 配置描述符
   
2. {
   
3.         IAD描述符1（CDC）
   ! c* j: B1 i% u6 b+ k; X. O! L
4.         {
   
5.                 接口描述符1（通信接口）
   
6.                 {
   ) a# Y: Z2 @5 v, c* g+ V" ?
7.                         其他描述符（特殊描述符）
   
8.                         {
   
9.                                 /*Header Functional Descriptor*/
   
10.                                 /*Call Management Functional Descriptor*/
    
11.                                 /*ACM Functional Descriptor*/
    ( O  }/ L9 i6 F, b" u! W9 \* |6 h( I" z
12.                                 /*Union Functional Descriptor*/
    
13.                         }
    8 _& f; B9 o; u1 U* h
14.                         端点描述符(命令端点)
    5 D, r& r" k& z$ x1 H2 Z
15.                         {
    2 }; e1 m3 w' @4 e7 ?( b3 Y( Z% b
16.                                 
    ' k5 x0 z+ Q7 S5 ~3 x) k0 p8 C
17.                         }
    
18.                 }
    
19.                 接口描述符2（数据接口）
    
20.                 {
    
21.                         端点描述符1（输出端口）
    3 f' v( V$ R5 s) h" R( ]
22.                         {
    
23.                                 
    
24.                         }
    
25.                         端点描述符2（输入端口）
    , \$ `4 g$ G& O0 P
26.                         {
    
27.                                 
    
28.                         }
    
29.                 }
    
30.         }
    
31. 
    
32.         IAD描述符(MSC)
    3 h# w$ S6 H3 r5 G% X
33.         {
    3 T$ G8 x' s" f9 I5 D: [2 ^
34.                 接口描述符1
    
35.                 {
    7 Z- S$ N. t! N, }
36.                         端点描述符1
    
37.                         {
    1 x/ |4 u  p: c! x2 {) _" R
38.                                 
    
39.                         }
    , p4 D. f( a: Z% }. Z
40.                         端点描述符2
    
41.                         {
    ) P7 f. J1 K7 o1 V4 R
42.                                 
    
43.                         }
    % a" y* I4 T! b. ?: i
44.                 }
    6 F. r# p1 B% n
45.         }
    
46. }

复制代码

5、STM32-USB详解


' a( S+ C# Z+ W' m6 G2 x* C
这个512字节SRAM叫做Packet Buffer Memory Area(简称PMA)，这个很重要，后面会详细讲解。



根据描述可以，一共有8个端点，16个寄存器，一个端点关联两个寄存器，所以我们可以将他们规划为8个输入端点(0x80-0X87)+8个输出端点(0X00-0X07)。
2 [# [+ H) M% [- B0 n
6、STM32-PMA详解
% j% q/ F: A5 w+ V0 N- h先说一下USB的数据包大小，全速设备的最大包大小为64字节，高速最大为1024字节。

$ u( C0 T6 o% Y5 m$ SPacket Buffer Memory Area(简称PMA)

STM32F1/F3/L1系列都有且结构相同(其他系列暂未考证)，译过来就是包数据缓存区，大小为512字节，按2字节进行寻址。

- x( b2 e3 Q6 H% G$ V这个PMA的作用就是USB设备模块用来实现MCU与主机进行数据通信的一个专门的数据缓冲区，我们称之为USB硬件缓冲区。
+ q! i6 R; P4 q
说得具体点就是USB模块把来自主机的数据接收进来后先放到PMA，然后再被拷贝到用户数据缓存区；或者MCU要发送到主机的数据，先从用户数据缓存区拷贝进PMA，再通过USB模块负责发送给主机。
; p: e0 q: ~2 {3 ~
很多人利用ST官方的USB库修改自己的USB应用时候卡住，获取改完之后懵懵懂懂出现错误，估计大多数原因就在此处的修改！
2 y0 h5 M4 m8 Q5 J1 k0 o
7 C" ]2 y) p1 k: \摘取一下STM32F1参考手册里的PMA描述表：



名称含义：
; i' a' a9 A# D! w3 q: C: _# L7 `
# A& t5 H' _. \7 ~ADDR0_TX：输出端点0发送缓冲区地址
COUNT0_TX：输出端点0发送缓冲区大小
5 `2 @3 W) p& D! J4 i9 O7 E. N  AADDR0_RX：输入端点0发送缓冲区地址
COUNT0_RX：输入端点0发送缓冲区大小

* [  O  k1 g; R* s9 L$ l可以看到一个完整的端点描述包括：缓冲区地址+缓冲区大小。

PMA的头部为端点的描述，每个端点占8个字节，实际使用了几个端点就有几个描述头，例如使用了0、1、2这三个连续端点（这里注意是连续端点），那么PMA头部的3x8=24(十六进制的0X18)字节就是描述，倘若你使用的是0、1、3这三个端点，其中编号为2的端点虽然没使用但是占用空间，那么PMA头部的端点描述就是4x8=32字节，编号为2的端点8字节的空间就浪费了(严格来说没浪费，就是不方便使用)。

头部的端点描述之后就是各个端点的缓冲区了，例如使用了0、1、2三个端点，占用了PMA头部3x8=24字节的空间，那么这三个端点的缓冲区地址就是从PMA偏移24字节开始的，当然只要是大于24就都可以，这里就是最关键的地方了，很多人修改ST官方库实现自己USB应用时候就是没改这里的地址，导致缓冲区的使用覆盖了PMA头部的端点描述从而出错！
! _0 b/ ~9 W0 B: j
下面摘取一个STM32官方MSC设备的实例进行分析：



可以看到一共用到了4个端点，分别是输入端点0X80和0X81，输出端点0X00和0X01，其中0X00端点和0X80端点是供USB使用必须有的，0X81和0X01端点则是MSC设备输入输出端点。
: R' V, J: q1 v9 g0 o: e
那么一共使用了4个端点，按理来说PMA头部的端点描述大小应该是4X8=32(十六进制的0X20)字节，0X20之后的才是各个端点缓冲区，但是ST这里的却是从0X18开始，也就是说使用了三个端点，这个地方我还没有搞明白为什么，欢迎各位补充！
8 T% F/ w) y  Y2 D( X, u
5 G( ?8 F9 Z  r" F至于为什么0X18之后是0X58，是因为USB全速设备的最大包是64字节(十进制的0X40)，所以这里PMA的划分就是：

头部0X18字节为各个端点的描述
0X18地址开始的64字节为输出端点0的缓冲区
8 R  g7 R: Q( d  Y0X58地址开始的64字节为输入端点0的缓冲区
0X98地址开始的64字节为输出端点1的缓冲区
, U7 G" a- m7 K8 q# p$ s( w- Q% H" b0XD8地址开始的64字节为输入端点1的缓冲区
: [: G5 l8 r8 L* q  R

这里注意一点，缓冲区分配好之后访问是不会溢出的，也就是说缓冲区之间完全隔离。

  C4 N. g5 l9 h: Y